در این مقاله در ادامه مقاله اول در زمینه مفاهیم اولیه در فناوری خلا برخی دیگر از مفاهیم اولیه در فناوری خلأ توضیح داده می شود. برای مطالعه بیشتر به ادامه مقاله توجه فرمایید.
- چگالی ذرات[۱](n(cm-3
چگالی ذرات برابر تعداد ذرات موجود در حجم واحد می باشد.برطبق تئوری انرژی جنبشی گازها، دمای گاز و فشار گاز در فضایی بسته با تعداد مولکولها و حجم ثابت تابعی از یکدیگر می باشند. برطبق تئوری انرژی جنبشی گازها تابعیت این سه مشخصه گاز در بیان ریاضی به صورت زیر می باشد:
در دمایی خاص، فشاراعمالی ازطرف گاز به جنس گاز بستگی ندارد و به عاملی مانند چگالی ذرات بستگی دارد و جنس گاز به عوامل مجزایی مانندجرم ذرات mT بستگی دارد.
- چگالی گاز(ρ[۲](m-3,g.cm-3
این کمیت طبق تعریف برابراست با،حاصل ضرب چگالی ذرات در جرم ذرات:
که در اینجا n چگالی ذرات و mT جرم هرذره است .
- قانون گازکامل[۳]
قانون گازکامل، ساده ترین رابطه ریاضی است که فشار،حجم ودمای یک گاز را به یکدیگر مربوط می کند.این قانون برای گازهایی بافشار زیاد، دارای خطای زیادی است ولی در محدوده ی اتمسفر دقت نسبتا خوبی دارد.طبق روابط زیر می توان به قانون گاز کامل رسید.
رابطه ی بین جرم ذراتmTوجرم مولی[۴]Mیک گازبه صورت زیراست:
NAعددآووگادرو[۵]نشان دهنده ی این است که چه مقدارذرات گاز در داخل یک مول وجوددارد. به علاوه رابطه ی مستقیمی بین ثابت گاز[۶]R وثابت بولتزمان[۷]kوجوددارد:
گفتنی است R ثابت هرگاز می باشد وبرای هرگازمقدارمشخص خود رادارد،جرم مولی M جرم هرمول وkکه به ثابت بولتزمان معروف است،ثابتی فیزیکی می باشدکه بامقدارانرژی هرذره در تراز خاص ودمای خاص ارتباط دارد.
با ترکیب روابط بالا به رابطه ی گازکامل رسیم :
در عمل ما به محفظه ای به حجم V،که گاز در آن حضوردارد وفشارش p است توجه داریم بنابرایناگر m جرم گاز داخل محفظه باشد،داریم :
بر این اساس رابطه گازکامل به صورت زیردر می آید :
که در اینجا نسبت m/M نشان دهنده ی تعداد مول های موجوددر حجم موردنظر یعنی V می باشد(ν).ساده ترین مدل برای ۱ مول می باشد که فرمول به صورت زیر درمی آید :
ضمنا رابطه ی ثابت هرگاز با جرم مولی آن به صورت زیراست :
که در آن R بار ثابت جهانی گازهاست و مقدارآن برابر ۸۳٫۱۴ mbar.l.mol-1.k-1می باشد .
مثال عددی پیش رو سعی دارد تا رابطه ی بین جرم وفشار دوگازبا جرم مولی متفاوت رانشان دهد. در محفظه ای دو گازمختلف را به صورت جداگانه می ریزیم.محفظه شامل حجم ۱۰ لیترو در دمای ۲۰ سانتی گراد می باشد. یک بار ۱ گرم هلیوم وباردیگر۱ گرم نیتروژن می ریزیم. وقتی از معادله گازکامل استفاده کنیم داریم :
M برای هلیوم که یک گازتک اتمی است برابر ۴می باشد وبرای نیتروژن که یک گازدو اتمی است برابر۲۸ است. مقادیر به دست آمده برای فشاربه نظر متناقض می رسند. این مقادیر نشان می دهد که به ازای جرم یکسان برای دوگاز، گازسبک تر (هلیوم)فشاربیشتری نسبت به گازسنگین تر(نیتروژن)دارد. اما رابطه ی چگالی گاز که در قسمت های قبلی آوردیم، نشان می دهد که به ازای چگالی یکسان، برای گازسبک تر،تعدادذرات بیشتری نسبت به گازسنگین تروجوددارد و سپس با مشاهده ی رابطه ی فشار ودما برای گازمی توان مشاهده نمود که به ازای دمای یکسان، گازی که تعدادذرات بیشتری داشته باشد فشاربیشتری دارد .
هدف اصلی در تکولوژی خلا این است که چگالی ذرات(n) را در داخل یک محفظه ی باحجم دلخواهv کاهش دهد. این کاردر دمای ثابت معادل کاهش فشاراست. همچنین باید توجه شود که کاهش فشار در یک محفظه ی دلخواه، را می توان علاوه برکاهش تعدادذرات، با کاهش دما نیز انجام داد و این نکته پایه دسته خاصی از پمپهای خلأ می باشند که بر اساس سرمایش ایجاد خلأ می نمایند.
- حجم[۸](V (l,m3,cm3
در تعریف حجم عبارات زیر بیان می شود:
- یک محیط هندسی از پیش تعیین شده ویا یک محفظه ی خلا از پیش تعیین شده به همراه سیستم های خلا،پایپینگ واتصالات آنها .(حجم ثابت)
- یک حجم وابسته به فشاریک گاز یا بخار،که به عنوان مثال با پمپ جابه جا می شود .(حجم متحرک مانند فضای داخل یک بادکنک که باکم شدن فشارگازکاهش می یابد)
- دبی حجمی[۹](qv(l/s,m3/h,cm3/s
دبی حجمی،مشخص کننده ی مقدارحجمی از سیال است که در واحد زمان، در فشارودمای مشخص از یک سیستم عبور می کند. توجه به این نکته مهم است که ممکن است دو سیستم دارای دبی حجمی یکسانی باشند ولی به علت دما و فشارمختلف تعدادذرات متفاوتی ازآنهاعبور نماید.
- سرعت پمپ[۱۰](l/s,m3/h,cm3/s)
مقداردبی حجمی که ازطریق ورودی پمپ مکش می شودسرعت پمپاژ گفته می شود و بر اساس رابطه زیر بیان می گردد:
نمونه ای از پمپ خلا -نمونه ای از پمپ خلأ بر گرفته از "fundamentals of vaccum technology Leybold"
اگرسرعت پمپ کردن ثابت باشد می توان عبارت را به صورت زیر نوشت:
- کمیت گاز[۱۱](مقدارpv)(l)
اندازهی یگ گاز را می توان با استفاده از جرم یا وزنش مشخص نمود. در عمل در تکنولوژی خلا عبارت pv بیشتر مورد استفاده می باشد.چون حاصلضرب فشار در حجم از جنس کار است بنابراین این عبارت دارای بعدانرژی است وباواحدمیلی باردر لیتر(mbar.l)به کارمیرود.زمانی که دمای گازو جنس آن مشخص باشد می توان از رابطه زیر برطبق حاصلضرب pv،برای مشخص نمودن جرم گازاستفاده کرد:
- دبی جرمی[۱۲]qm (kg/h,g/s)
برابراست با مقدارگازی که در واحدزمان ازسیستم عبور می کند:
- دبی [۱۳] pvیاqpv(l.s-1)
برابراست با حاصلضرب فشاردر حجم گازعبوری ازسیستم، برواحدزمان:
- ظرفیت پمپ[۱۴]qpv
ظرفیت پمپ طبق تعریف برابرمقدار دبی جرمی است که پمپ ازورودی خود مکش می کند:
اصطلاح دیگری که معمولا در سیستم های خلا برای تعریف ظرفیت پمپ به کار می رود، دبی pv است که از ورودی پمپ مکش می شود و نشان دهنده توان پمپ است :
که در آن p فشار ورودی می باشد. اگرp وv هردودر ورودی ثابت باشند می توان ظرفیت پمپ را به صورت رابطه ی ساده زیرنوشت:
که در این رابطه S همان سرعت پمپ درورودی می باشد .
مفهوم ظرفیت پمپ، اهمیت زیادی در عمل پیدا می کند ونبایدباسرعت پمپ اشتباه گرفته شود. ظرفیت پمپ مقدارگازی است که درواحدزمان توسط پمپ جابه جا می شود و با اmbar.l/s نشان داده می شود ولی سرعت پمپ قابلیت جابه جایی گازی است که پمپ فراهم می کند وبا m3/h ویا l/s اندازه گیری می شود . مقدار ظرفیت پمپ برای تعیین ابعاد پمپ کمکی که با پمپ خلا اصلی سری می شوند، مهم می باشد. پمپ کمکی،در واقع مقدارگازی را که پمپ اصلی جابه جا می کند مکش می نماید .
به عنوان مثال فرض کنید در سیلندری به حجم v و فشار p هوا موجود می باشد . می خواهیم هوای داخل این سیلندر را به وسیله ی پیستونی فرضی تخلیه کنیم . کار لازم برای اینکه حجم v را به حجم صفر برسانیم با فرض اینکه سرعت جابه جایی پیستون ثابت باشد یا نزدیک به صفر باشد برابر pv می باشد . حال با فرض ثابت ماندن فشار اگر بخواهیم نرخ این مقدار انرژی را به دست آوریم باید عبارت pv راتقسیم بر زمان کنیم . چون p ثابت است بنابراین عبارت pv/t تبدیل به عبارت ps می باشد که s در واقع همان سرعت پمپ است . ps درواقع همان توانی است که پمپ برای تخلیه ی پیستون باید تامین کند .
نمونه ای از ترکیب پمپ اصلی شماره ۱و پمپ کمکی شماره ۲
مراجع:
[۱]. https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum
